胡立德:科学的乐

                                          要短,要令人惊讶,要尽可能让多的人看到

                                          大部分科学家其实还是那样子,他们不懂!他们不知道你不可能在故事里把所有东西都讲出来。科学并不是只有竭尽全力做得比别人更好,与此同时你还要能放声大笑,能喜欢上你所做的东西。

                                           

                                          搞笑诺贝尔奖吗 大部分科学家其实还是那样子,他们不懂!他们不知道你不可能在故事里把所有东西都讲出来。科学并不是只有竭尽全力做得比别人更好,与此同时你还要能放声大笑,能喜欢上你所做的东西。我刚开始做助理教授的时候,我想跟着经费走而不是跟着好的点子走,但结果并不是很好。我觉得这样就变成和其他所有人一样了,心不在研究上了。你知道,大部分期刊编辑其实都很无聊的,他们也想看到有趣的、不同寻常的东西。我们实验室到现在发了30篇论文,这只算是平常数量,但有7篇上了《自然》(Nature)、《科学》(Science)、PNAS这三个顶级期刊,基本上我的每个研究生都发过这些期刊。不过,最关键的是,我们确实做出了真真切切的新发现。一个领域再怎么好玩,如果你做不出新发现,你就没法发表。不过,最关键的是,我们确实做出了真真切切的新发现。一个领域再怎么好玩,如果你做不出新发现,你就没法发表。蚊子为什么不会被雨砸死?

                                          许多在雨天挨蚊子叮的人,内心大概都经历过这种咆哮。但是除了泄愤之外,它背后还有一个更加严重的问题:雨滴的速度是蚊子的十倍,质量是蚊子的五十倍,蚊子穿梭在雨滴中简直就是行人过高速路,为什么它不去死呢?

                                          回答这个问题的,是佐治亚理工学院生物运动实验室的副教授胡立德(David Hu)。

                                           

                                          图片来源:mit.edu

                                          今 年35岁的胡立德是华裔,但在美国长大,中文说得磕磕绊绊,但练习得非常努力。因为获得了2015年度的菠萝科学奖,他专程来杭州领奖并接受了果壳网的专访。采访开头他还尽力在用中文回答, 但很快力不从心换回了中英混杂。即便如此,他还是特意准备了一份全中文的演讲稿,并请我们为他的发音把关——只是我们谁都没想到他最后是手握演讲稿空翻上 台的!

                                          菠萝奖专题:蚊子为什么没有被雨滴砸死?

                                           

                                          胡立德领奖照片,左侧颁奖人为诺奖得主乔治·斯穆特(George Smoot

                                          但和他的研究——比如,蚊子为什么不被雨砸死——比起来,这些举止上的不正经简直算不得什么。

                                           

                                          事实证明,它们根本不躲(或者是试图躲但总是失败)。蚊子经常会被雨滴砸中,但是它们在绝大多数情况下竟然都毫发无损。这又是怎么做到的?

                                          胡 立德的研究组发现,蚊子在被雨滴砸中时会做一套高难动作缓和冲击力。如果砸中的是翅膀,蚊子就会向那一侧倾斜50度,让水滴顺翅膀滑走。而如果正中身体, 蚊子则不会抵抗,而是迅速随着水滴一起下落——但这并不是随波逐流,由于蚊子体表有大量的疏水细毛,它并不会和水滴融为一体,而是在下落过程中也能自由调整姿态,很快就能和雨滴侧向分离,恢复正常飞行。根据计算,假如落在地面的蚊子被雨滴砸中,力道相当于蚊子自身体重的10000倍,足以致命;但空中被砸到的蚊子,力道就只有体重的50-300倍,很容易恢复过来。

                                           

                                          图片来源:David Hu

                                          像这样的研究,在胡立德的实验室可谓司空见惯,但却绝不是信手拈来。胡立德在麻省理工学院获得了数学博士学位,他的研究既有突破天际的脑洞,又有严密的动物实验和数学模型来支撑。当然,和各种动物打交道的背后也少不了千奇百怪的困难和障碍——比如,挨蚊子叮。

                                           

                                          我们实验室从来没出过任何事故,被蚊子叮除外

                                          果壳网科学人:这次你因为研究蚊子为什么不会被雨滴砸死而获得了2015年的菠萝科学奖。你能讲一下你的实验是怎么做的吗?

                                          胡立德:蚊子实验,最困难的地方是开头。要让蚊子被雨滴砸中,想来当然是趁下雨的时候到室外去了,但是要正好捕捉到蚊子被雨砸中的那一瞬间,概率基本上是零。倒是我们这些生物学家整天在外面一边挨蚊子叮,一边还挨雨淋,所以我们至少是证明了蚊子的确不怕下雨……

                                          我们选择的办法是去疾控中心,找他们专门负责养蚊子的人。要养蚊子你得喂它们血,那里面成千上万的蚊子,都要喝人血,还得是新鲜的。

                                          果壳网科学人:必须是用人的血?

                                          胡立德:人 血省事儿嘛。再说,那是他的工作。所以他得每天伸手进去,让箱子里的蚊子喝上那么一口——当然是喝一小口。我们就带了一批蚊子回实验室。接下来我们就听到了很多牢骚,因为这些蚊子不停地逃跑。我们实验室是整座楼里,事实上是全系里唯一研究活动物的,所以跑了动物他们都知道是我们这里的……

                                          平常也有动物逃跑,但蚊子或者蛇跑掉的时候是最糟的。至少我们的实验室的成员挨叮最多,所以别人也不好说什么。

                                          果壳网科学人:啥?蛇?毒蛇吗?

                                          胡立德:嗯, 为了研究蛇的爬行方式,我们需要比较不同类型的蛇,有些蛇有毒,有些毒蛇没有解药。这些蛇在动物园有养,每当他们拿蛇出笼子的时候总有两个人,一个人负责拿,另一个人负责看,因为如果第一个人被咬了,总得有人去关门……没有解药,所以他们得保证有人关门,让蛇不逃出来。

                                          果壳网科学人:……这是怎么通过伦理委员会的审查的啊。

                                          胡立德:伦 理委员会倒是没有提出过意见。我们有规程的,我们知道蛇毒很严重,所以我们非常小心。他们是允许我们冒风险的,不冒这个险要怎么研究动物呢!做这个项目的学生也愿意冒险,但他的妻子就非常生气。她会跑过来说,你为啥一定要研究蛇呢!为啥不能就,比方说,给狗狗拍照片之类的呢!所幸,我们也的确很谨慎,我们实验室从来没出过任何事故,被蚊子叮除外。

                                          果壳网科学人:那么,说回蚊子……

                                          胡立德:蚊 子实验里,我们的任务是模拟雨滴。地面附近,每秒钟雨滴会下落5-10米,非常快。要实现这个速度,我们必须把人造雨滴从很高的屋顶上滴下来。但是要这么做的话,就非常难瞄准,一丁点的偏差就砸不到蚊子了。我想要拍到非常好的照片,因为这是我的研究方法,我喜欢展示照片。你看到了这些蚊子照片吗?这是我教 的生物课上的一个学生拍的。

                                           

                                          图片来源:David Hu

                                          他本来是拍学校年鉴照片的,从来没拍过科学摄影。他想去医学院,但被拒绝了很多次。不过后来他在我们实验室拍的照片上了《纽约时报》、《国家地理》这样的杂志,再后来他就顺利地上了医学院。

                                          果壳网科学人:看起来用到了很高级的设备。

                                          胡立德:这 整个设备差不多都是他造的。箱子高3米多,顶上有一个专门的滴水器。你有没有见过广告里经常出现的一滴水落到水面激起水花的场景?用的就是这样的特殊滴水器,计算机控制,可以随意调节水滴大小、频率和速度。水滴从箱子顶部落下来,穿过下面的激光束,激光就会启动相机,拍照。我们当然希望那里正好有个蚊子路 过,但这种事情没法控制。所幸蚊子嘛,都是很蠢的,只会在箱子里飞呀飞,飞来飞去总会有只蚊子正好在里面被打中的。

                                          以 前从来没有人见过蚊子被水滴打中,要没有这全套装置,根本不可能实现。我和他说,我们要想上杂志封面,就必须有一张蚊子正好被水滴命中的照片。他说,不 可能的,我怎么可能做得到?我说,你以前拍蛇、老鼠、蚂蚁,不都拍到了嘛,这次只是快了一点儿,小了一点儿而已。你能做到的,只需要花上些时间。

                                          最后的照片花了他一个月——用一个星期造好这个容器,又等了几个星期才抓住合适的时机。但最终的照片非常好。人们喜欢流体力学,人们也喜欢动物,人们还喜欢全新的东西——三条都占了。

                                          果壳网科学人:但我觉得人们不喜欢蚊子呀。

                                          胡立德:当然不喜欢了,但他们喜欢看到蚊子被砸扁嘛。

                                           

                                          别人会说我想的话题太多,但反正现在我有终身教职了,管他呢!

                                          果壳网科学人:蚊子和蛇似乎没有什么共同点呀。你的兴趣为什么这么广泛呢?

                                          胡立德:我的博士读的是应用数学,目的主要是用数学做其他领域的研究;但我对生物一直都很有兴趣,因此我就把我的工具应用在不同的领域。每个博士生我给他们不同的题目,我希望相互之间不重叠。

                                          科 学界里,人们一般不会这样做,大部分人是一直在做一个实验、一个东西。但是研究动物,需要为每一种动物发展出新工具。毕竟我们的这个领域就叫比较生物力学,所谓比较,研究方法就是你要选取不同的动物嘛。所有动物全都来自同一共同祖先,比较它们之间的改变,这就是有意义的。

                                          这很有挑战性,但这也让事情保持新鲜。对我也更好玩。每五年我就可以切换一个新领域,用五年来解决问题然后再换到下一个新领域。一开始的时候,大概别人会说我考虑的话题太多了,但反正现在我有终身教职了,所以,管他呢!

                                          果壳网科学人:你现在正在做什么有趣的东西吗?

                                          胡立德:青 蛙的舌头要怎么才能这么快地运动又能黏住苍蝇呢?当青蛙黏住一只苍蝇把它拽回来的时候,几乎就在一瞬间,加速度超过了50倍地球重力,这对舌头的要求非常高。我们测试了它的舌头组织,发现它比我们所知的任何身体组织都柔软,比脑组织和乳腺组织都更柔软。我们所知的最柔软的生物组织在青蛙舌头里,而这对它的 受力至关重要。你知道,当车祸的时候,汽车的安全气囊会在百分之一秒的时间里弹出来。汽车的冲击力非常大,但气囊的灵活性能够缓和冲击力。青蛙的舌头正是承担了这样的角色,不过这篇论文大概明年才会出来吧。

                                          果壳网科学人:这些话题都是怎么想到的呢?

                                          胡立德:日常生活给了我很多灵感。举个例子吧。我们曾经在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上发表过一篇讲膀胱的论文,讨论的是不同体型的动物排空膀胱需要多少时间——结果发现,狗和大象所需的时间是几乎相同的。一个只有杯子大,另一个快赶上垃圾桶的容量,但几乎会同时排空。

                                           

                                          图片来源:David Hu

                                          之 所以想到做这个研究,是因为那时我的女儿出生不久,我换了很多尿布,因此我想教她怎么上厕所,却发现她尿尿的时间跟我差不多一样——我明明比她大十倍呀! 所以我开始想,这背后可能有一个比较深的原理。你知道,生物学和医学的课程里并没有对于膀胱机制的理解。虽然我们知道膀胱受到重力等等因素的影响,但我们其实并没有真正了解其中的流体力学,而这篇论文就做到了这一点。

                                          果壳网科学人:这样好玩的东西,发表的时候会有困难吗?

                                          胡立德:你知道,大部分期刊编辑其实都很无聊的,他们也想看到有趣的、不同寻常的东西。我们实验室到现在发了30篇论文,这只算是平常数量,但有7篇上了《自然》(Nature)、《科学》(Science)、PNAS这三个顶级期刊,基本上我的每个研究生都发过这些期刊。

                                          的确,我刚开始做助理教授的时候,我想跟着经费走而不是跟着好的点子走,但结果并不是很好。我觉得这样就变成和其他所有人一样了,心不在研究上了。

                                          顶尖的期刊总会在寻找不同的东西,总会在寻找新的领域。期刊自己也是在类似的东西一遍又一遍地过,每次只有微小的差异,他们也想要不同呀。其他的研究者也是一样,科学家也是人,也愿意看到好玩的东西。所以我得到的评论意见一直都很好。

                                          不过,最关键的是,我们确实做出了真真切切的新发现。一个领域再怎么好玩,如果你做不出新发现,你就没法发表。你总得找到点儿什么。而这就是应用数学一显身手的地方了:良好设计的实验加上计算。在我全部的论文里,都会有数学。没有这些是没法发表的。

                                           

                                          我做的是应用数学工具……但首先,你得有个大冰箱来装这些便便

                                          果壳网科学人:因此你接受的是数学家的训练……

                                          胡立德:我爸妈都是科学家,高中的时候我爸爸在海军研究所的实验室,暑假的时候他天天带我去做材料研究。其实我从来没有上过生物学的课啦。虽说我是生物系教授,教生物课……但我自己却没有正经学过生物。但是我在和别的数学家和物理学家合作的时候,他们总当我是学生物的。

                                          果壳网科学人:那么你的生物学知识是哪里来的呢?

                                          胡立德:你 总是能在开会的时候学到东西的。但其实,我真正所做的是应用数学工具,特别是流体力学的工具。不管什么动物,是游泳还是在飞还是在奔跑,这些全都是在水或者空气中进行的;生物体内的血液和其他体液也都是液体的形态,这都是流体。有合适的工具,就能应用到任何领域之中,生物学就是一个可以应用工具的地方—— 这里面有太多的问题我们不理解。

                                          有许多人喜欢生物胜过数学。你看电视上到处都是自然纪录片,有多少数学片子?几乎是零。但是不要低估了数学的力量!

                                          果壳网科学人:除了……毒蛇这样的动物之外,其他的动物是不是研究起来也很麻烦?

                                          胡立德:我自己一般都是研究小一些的动物,不然实验室装不下嘛。但是我有个学生,Patricia Yan,她是从台湾来的,她就是研究动物尿尿的,这就涉及到很大的动物了。接下来她要研究排便。

                                          我们打算研究的是食物流体如何在动物肠子里面运动。吃东西的时候,你都得把食物翻来搅去才能消化对吧?无论是肠道细胞还是细菌,自己都动不到哪里去。所以她计划做X射线视频,来看食物是如何在肠道里发生细微的流动。

                                          目前我们会从食草动物先做起。但这当然也需要比较大小不同的动物有何差异。我们实验室准备了一个大冰箱,用来装各种各样不同动物的便便。等到文章出来的时候,我们打算做一个便便周期表”——因为所有的便便都是不一样的。

                                          果壳网科学人:所以你们大概和动物园有很好的合作吧?

                                          胡立德:是的,很多数据都是来自动物园的。你知道吗?很多人搞生物力学,但他们从来不碰生物。生物力学的论文非常多,但大部分论文都是这么写的:假定这是一个圆盘,能够上下移动,然后写上10页的数学。全都是数学模型。

                                          但我们采取的是不同的视角,我们从动物出发,永远都是从动物出发。我的任何实验里都会有动物。在我看来,这才是真正的科学,但这也让事情变困难了——首先,你得有个大冰箱来装所有这些便便。

                                           

                                          一个东西只要足够酷,总是会有什么应用的吧

                                          果壳网科学人:一般人印象中,科学都是很严肃的。你的这些研究为什么这么好玩呢?它们都有怎样的实际意义呢?

                                          胡立德:很多人都说,哎呀你们的研究简直好玩过头了。但其实,生物力学这个领域还是很有实际意义的。

                                          我的许多研究是美国军方资助的,比如他们就资助了我关于蚂蚁的研究。他们想建造一套装甲,让子弹穿过去之后立刻修复伤口,这叫自愈合材料。这个领域上军方已经投资了数百万美元。

                                          其 中最有前途的思路之一就是能在固体和液体之间切换的材料——人类的血管就是这样。有这么一种系统,就像是管道里面装满了胶水,子弹穿过去之后胶水会渗出 来,然后固化。但这些东西的物理性质不好判断。自然环境下怎样的东西能在固体和液体之间切换呢?蚂蚁。单只的蚂蚁当然是固体,但一群蚂蚁聚集在一起却会表现出流体的性质,可以从茶壶里像倒水一样倒出来。可以说这是一种全新的材料,军方对此非常重视,所以过去几年里都是军方出钱资助我研究蚂蚁筏。

                                          类似的,还有许多经费来自所谓"生命系统的物理",这是个相对较新的项目,美国国家科学基金会给钱,他们想要对生命现象有一个更加数学和物理的视角。

                                          不过,我刚开始做蚂蚁筏这样的研究时,并没有想到这些,没有想过它会有什么特别的应用领域。我只是觉得,一个东西只要足够酷,总是会有什么应用的吧。事实也的确如此。毕竟这是纳税人的钱,这些钱不能白花;而只要我们做出了成果,不论是基础的还是应用的,那就是有价值的。

                                          果壳网科学人:为什么以前我们很少见到这样的研究呢?

                                          胡立德:我想这既是和美国文化有关,也和年轻一代人的思想有关吧。

                                          某 种意义上,美国文化有疯狂许可证,它允许你搞一些疯狂的事情,而亚洲或者欧洲的传统文化相对就保守一些。有一次我在准备演讲稿,最后我说结尾处我要讨论尿尿,台湾的主办方就连忙阻止我:不要在讲座里谈尿尿!有些文化可能会觉得这样不庄重吧。就算是在美国,也有老教授不太能理解这样的。

                                          但是新一代的科学家就不同了。也不能说是幼稚吧,虽然我们确实做了这么一篇撒尿的文章……你看这篇文章的第一张图:

                                           

                                          图片来源:David Hu

                                          右下是一头大象,你能清楚看到它皱巴巴的那话儿。十年前你不可能看到这样的图,再过十年恐怕也不会看到。但我不在乎。我想这能帮助人们学习它、记住它。这对文章有好处。

                                          我 想对于出版的东西我们也应该打破更多的规矩,就像我们的研究一样。研究动物就得打破所有这些规矩,以前没人试过用雨滴打蚊子,想都没想过。好消息是,在科学界,人们喜欢这样,特别是年轻人。我经常收到年轻人的邮件,大都是在说,“Wow! This is soooo cool!”

                                           

                                          要短,要令人惊讶,要尽可能让多的人看到

                                          果壳网科学人:所以你会花时间给他们回信吗?

                                          胡立德:当 然。这是下一代人的东西了;但我想,我们应该为所有的听众做到这些。科学有很多有趣的东西,但人们很少能看到他们能够理解的东西,配有好照片的更是少之又少。十年前我在《自然》上发第一篇论文的时候学到,为了能有传播效果,你的东西要短,要令人惊讶,要尽可能让多的人看到。这是我做传播的起点,所有人都应 该试着向这个方向努力。而且这样也会让你自己觉得更好玩。现在我所有的研究生都有自己的网页,他们都会回应问题,他们也希望自己的研究能得到别人的理解。

                                          果壳网科学人:你还以别的方式参与了科学传播吗?

                                          胡立德:普 林斯顿出版社很快就要出版一本讲生物力学的书,其实大部分研究是我的学生们做的。我们参与很多纪录片的拍摄,探索频道每年都会来我们实验室拍上一整天,最后会在片子里露面10分钟,过去十年几乎始终如此。我们还拍过imax3D电影,有一部叫《火蚁:无敌军队》的片子就是在我们实验室拍的。我们总是会为科学传播相关的事情留够时间的。我还开设一个工作坊,教我的同行们应该如何与记者沟通——因为你们知道,科学家和记者的关系并不是那么好。

                                          果壳网科学人:一般的科学家都会怪记者,但你是在给科学家开课。

                                          胡立德:大部分科学家其实还是那样子,他们不懂!他们不知道你不可能在故事里把所有东西都讲出来。但你没有提我的第三合作者!你没有讲我的实验方法的细节! 论沟通,他们基本上都是要挂科的。他们需要明白,你的故事核心只需要一件事就够了。但是挑选这一件事很难。你不能把所有细节都塞进去,没人会看的,连科学家都不会看。因此我会开这个工作坊。也许我应该再开一个专栏。假如果壳网让我写专栏的话我很可能会写的。(快点来开!)

                                          说 起来,我和很多科学记者聊过,但你是第二个中国的记者。第一个人现在住在伦敦,他叫埃德·杨(Ed Yong)。其实我很想接触一下中国的学生群体。中国有很多学生在科学领域非常有天赋,但是他们有一个问题。很多人来美国读研究生,可是最后成为教授的非常少。我不知道是什么原因,但我的怀疑是,他们没有爱上科学。

                                          我想我需要提醒 他们,科学并不是只有竭尽全力做得比别人更好,与此同时你还要能放声大笑,能喜欢上你所做的东西。最终你成了教授,这应该是很好玩的,我就玩得很开心。毕竟,我们这些科学家生活在不同的群体里,圈子之间并没有竞争,除了我们再没有人会去拍狗便便或者大象尿尿。

                                          果壳网科学人:你觉得自己能得到搞笑诺贝尔奖吗?

                                          胡立德:我想菠萝科学奖是一个好的起点吧!拿搞笑诺奖相当困难,每年许多人竞选,每年都有不同的成果。但毕竟我才35岁嘛,也许能在退休前拿到奖呢。(编辑:Calo

                                           

                                          采访者与被采访者的合影。